Intercambio Iónico: Principios y Aplicaciones Industriales
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Principios Fundamentales del Intercambio Iónico
En las operaciones de intercambio iónico ocurre una reacción química de sustitución entre un electrolito en solución y un electrolito insoluble con el cual se pone en contacto la solución.
El mecanismo de estas reacciones y las técnicas llevadas a cabo para que ocurran son tan similares a los de adsorción que, para la mayoría de los fines de Ingeniería, el intercambio iónico es considerado un caso especial de la adsorción.
En el proceso, los sólidos tienen una estructura de red abierta y los iones móviles neutralizan eléctricamente a los grupos cargados, o potencialmente cargados, que están adheridos al intercambiador iónico.
Aplicaciones y Eficiencia del Intercambio Iónico
El proceso de Intercambio Iónico es conocido por tener un índice de purificación tan alto que se considera el proceso más adecuado no solo para la desmineralización del agua sino también para la ultra purificación de la misma.
Debido a la eficiencia del proceso, este se utiliza ampliamente en diversas industrias:
- Industrias de alimentos y bebidas
- Industria farmacéutica
- Hidrometalurgia
- Acabado de metales
- Industria química y petroquímica
- Procesamiento de azúcar y edulcorantes
- Tratamiento de agua subterránea y potable
- Industria nuclear
- Ablandamiento industrial del agua
- Fabricación de semiconductores
- Generación de energía
- Y otras industrias.
Aspectos Económicos y Consideraciones Operativas
El aspecto económico del intercambio iónico como un proceso de separación depende fuertemente de los costos de la resina, tamaño de la planta, grado de automatización requerido, costos de los regeneradores y costos de disposición de los residuos de los regeneradores.
Costos de Resinas y Regeneración
- Las resinas de ácidos fuertes son las menos caras.
- Las resinas de ácido débil y base débil respectivamente son varias veces más caras.
- La vida media de la resina debe considerarse también en el cálculo de los costos de operación.
Costos de Capital y Operación
El tamaño de la planta y el grado de automatización necesitado fijan los costos de capital para una instalación dada; mientras que los costos de operación también incluyen los de trabajo y medios utilizados. Esto hace que los costos de operación sean dependientes del lugar de emplazamiento.
Limitaciones del Uso de Resinas
El uso de resinas está contraindicado en disoluciones con altas concentraciones de impurezas iónicas, ya que en seguida quedan ionizadas y es preciso regenerarlas utilizando grandes cantidades de agua destilada. Tras la regeneración, esta agua queda inservible y hay que eliminarla, suponiendo grandes pérdidas económicas.
Purificación de Productos y Mecanismos de las Resinas
La purificación de productos mediante intercambio iónico es de amplio espectro y es común en la manufactura de reactivos químicos, farmacéuticos, medicamentos y productos biológicos.
Los esfuerzos a los cuales está sujeta la resina durante el cambio de volumen se conocen como fuerza osmótica. Estas fuerzas son muy intensas y pueden producir presiones muy altas, las cuales son mayores que las fuerzas puramente mecánicas.
Las resinas se oxidan y rompen con el tiempo y uso. Las cadenas eslabonadas cruzadas juegan un importante papel en la operación de la resina.
Operaciones en Discontinuo
En las operaciones en discontinuo, se mezcla el intercambiador y la disolución en un recipiente hasta que el intercambio de iones alcanza el equilibrio.